林英姿，武天莫，李思文，劉 根

(1.吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130118；2.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118； 3.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130117)

0 引言

合流制溢流(Combined Sewer Overflow，CSO)污染嚴(yán)重制約著我國(guó)水生態(tài)環(huán)境的治理。為解決合流制溢流問題，我國(guó)大部分地區(qū)在進(jìn)行雨污分流改造的同時(shí)，也將合流制溢流排放標(biāo)準(zhǔn)的制定作為水環(huán)境系統(tǒng)管理過程中最重要的內(nèi)容之一。合流制溢流污水排放標(biāo)準(zhǔn)的制定是對(duì)國(guó)家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的具體響應(yīng)，也是改善生態(tài)環(huán)境、提高流域水質(zhì)和消除流域黑臭水體的需要。

本研究旨在通過優(yōu)化典型合流制排水設(shè)施的運(yùn)行工況，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)水體質(zhì)量，控制溢流污染的目的。同時(shí)，根據(jù)污水處理設(shè)施進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，提出合流制污水處理設(shè)施的建議排放標(biāo)準(zhǔn)值，填補(bǔ)研究區(qū)合流制污水處理設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)的空白。同時(shí)，本研究還是國(guó)家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的具體響應(yīng)，符合城市生態(tài)文明建設(shè)的需要，是改善生態(tài)環(huán)境的重要一環(huán)。通過制定標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施建議，可有效地改善居民的生產(chǎn)、環(huán)境和居住條件，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)域氣候及降雨特征分析

1.1 研究區(qū)域氣候條件與降雨特征

根據(jù)氣象局資料統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)域每年降雨量一般在580 mm左右，6月—9月的降水量大概在450.6 mm左右，此段時(shí)間為全年降雨量最多的時(shí)間，降雨量占全年降雨量的78%，7月—8月是降雨量最為集中的時(shí)間，一個(gè)月的降水量基本維持在306.3 mm左右，是全年降水量的一半。即便年均降雨量很多，但是降雨不能緩解氣候問題，氣候依舊干燥多風(fēng)，這就使得全省的水分在陸地的蒸發(fā)量大于降雨量，平均的年份蒸發(fā)量大約為940 mm。

圖1 北方某市平均氣溫與平均降雨量對(duì)照?qǐng)D

1.2 合流制溢流污水處理設(shè)施受納水體水質(zhì)控制要求

通過本研究所選取的合流制溢流臨時(shí)污水處理設(shè)施處理后的污水排入的流域均為國(guó)省控江河斷面內(nèi)，對(duì)斷面水質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，省控水質(zhì)目標(biāo)見表1。

1.3 降雨量與合流制溢流污水處理設(shè)施排放的相關(guān)性

本研究對(duì)北方某市A、B、C站3處典型的合流制溢流臨時(shí)污水處理設(shè)施于2019年—2020年大雨及以上降雨量后的處理量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及分析。以A站為例，從圖2中可以看出，雖然被研究地區(qū)近兩年內(nèi)大到暴雨的情況較少，地表徑流、匯水面積和雨水滲透還存在一些不確定的因素，降雨當(dāng)日的處理量和隨后3日內(nèi)的處理量變化幅度不大，但總體仍然體現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，臨時(shí)污水處理站的運(yùn)行逐步趨于穩(wěn)定。

表1 排放水體水質(zhì)目標(biāo)

圖2 A站合流制處理設(shè)施雨后處理量變化分析圖

1.4 合流制溢流污水處理設(shè)施運(yùn)行情況分析

以北方某市A、B、C站3處典型的合流制溢流臨時(shí)污水處理設(shè)施作為研究對(duì)象，A站設(shè)計(jì)處理規(guī)模為30 000 t/d，主要處理工藝采用超磁混凝分離技術(shù)；B站設(shè)計(jì)處理規(guī)模60 000 t/d，主要處理工藝采用超磁混凝分離技術(shù)；C站設(shè)計(jì)處理規(guī)模3 500 t/d，主要處理工藝采用混凝沉淀分離技術(shù)。

通過調(diào)研數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水質(zhì)指標(biāo)值檢測(cè)分析，所研究的這3處合流制污水處理設(shè)施的COD去除率隨時(shí)間的變化逐步穩(wěn)定，如圖3所示。通過計(jì)算，3處總體的COD平均去除率為71.02%，TP去除率隨處理時(shí)間的變化逐步穩(wěn)定，如圖4所示。通過計(jì)算，3處總體的TP平均去除率為77.5%。如圖5所示，從A、B兩站的SS去除情況可以看出，兩者SS的去除率均在80%以上，效果較好。C站去除能力相對(duì)較弱的原因主要是A、B站采用的是超磁混凝分離技術(shù)，C站采用的是混凝沉淀處理工藝，可以看出超磁混凝劑對(duì)污染物的去除效果較好，由于C站運(yùn)行時(shí)間短，所以對(duì)于污染物的平均去除率影響較小。

2 建議合流制溢流污水排放標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)選擇及計(jì)算

2.1 排放指標(biāo)的選擇方法

本研究通過對(duì)合流制溢流污水排放情況開展調(diào)查，收集和分析進(jìn)出水污染物質(zhì)量濃度最大值、最小值、平均值，水量以及采用的處理技術(shù)，在對(duì)污染物指標(biāo)進(jìn)行篩選的前提下，結(jié)合水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值的確定方法，確定排放限值的區(qū)間范圍，提出建議排放值。主要采用了綜合評(píng)分法和層次分析法。

圖3 A站、B站、C站3處合流制污水處理設(shè)施COD去除率隨時(shí)間變化圖

圖4 A站、B站、C站3處合流制污水處理設(shè)施TP去除率隨時(shí)間變化圖

圖5 A站、B站、C站3處合流制污水處理設(shè)施SS去除率隨時(shí)間變化圖

2.1.1 綜合評(píng)分法的實(shí)施步驟

綜合評(píng)分法是指將評(píng)審內(nèi)容分類后分別賦予不同權(quán)重，然后請(qǐng)?jiān)u標(biāo)委員根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)要選擇的污染物質(zhì)打分，最后將每個(gè)項(xiàng)目的分值累加成每個(gè)污染物質(zhì)的總分?jǐn)?shù)，對(duì)總分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序，得分最高的污染物質(zhì)則為最重要的控制因素。本文根據(jù)基礎(chǔ)調(diào)查、環(huán)境管理統(tǒng)計(jì)的基本情況、專家組的意見以及相關(guān)文獻(xiàn)研究，初始選取了9個(gè)建議評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用德爾菲法對(duì)9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選。具體方法是將咨詢表分發(fā)給所有專家，通過專家的反饋信息確定指標(biāo)是否合理。當(dāng)1/3以上的專家認(rèn)為指標(biāo)缺乏代表性和重疊時(shí)，指標(biāo)被視為無效指標(biāo)。如果超過85%的專家認(rèn)可所選指標(biāo)，則該指標(biāo)有效。同時(shí)結(jié)合層次分析法對(duì)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，征求專家組的意見，最終確定了5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)即：COD、NH3-N、TP、SS和pH。

2.1.2 層次分析法的實(shí)施步驟。

此法是將較為復(fù)雜的難題分開為多個(gè)要素，并將多個(gè)要素按照不同關(guān)系建立主次結(jié)構(gòu)。為綜合評(píng)價(jià)，層次分析法通過各個(gè)要素之間的相互比較確定不同的重要程度，并確定指標(biāo)的重要程度。層次分析法的計(jì)算步驟為：

1)通過對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)因素的關(guān)系進(jìn)行分析，建立層次分析結(jié)構(gòu)。

2)對(duì)同一層次的指標(biāo)相對(duì)于上一層次進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，創(chuàng)造判斷方法，本文采取專家打分的形式，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(表2)進(jìn)行兩兩比較，確定各個(gè)指標(biāo)之間的重要性關(guān)系，構(gòu)建判斷矩陣。

表2 (1-9)標(biāo)度意義

為保證矩陣的相同性，對(duì)相應(yīng)的判斷矩陣進(jìn)行相同性，具體方法為：

②進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)值CCI：CCI=λmax-n/(n-1)；

③計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的系數(shù)RCR，其中RCR=CCI/IRI，最后進(jìn)行判斷。

對(duì)應(yīng)的IRI值見表3。

表3 IRI數(shù)值表

3)由判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果得到各個(gè)比較元素相對(duì)于上一層元素的權(quán)重。

4)將各個(gè)元素的權(quán)重進(jìn)行匯總，通過計(jì)算得到各個(gè)元素在同一層次的整體權(quán)重，對(duì)各個(gè)元素的權(quán)重進(jìn)行整體排序。

2.1.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)基礎(chǔ)調(diào)查和環(huán)境管理兩個(gè)維度，運(yùn)用矩陣圖分析得出最優(yōu)結(jié)論：

1)目標(biāo)層標(biāo)記為：A(合流制評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取)。

2)影響合流制評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的因素有學(xué)校相關(guān)專家、城市排水公司相關(guān)專家、市政工程設(shè)計(jì)院相關(guān)專家，因此準(zhǔn)則層分別標(biāo)記為：C1(學(xué)校相關(guān)專家)、C2(城市排水公司相關(guān)專家)、C3(市政工程設(shè)計(jì)院相關(guān)專家)。

3)9個(gè)篩選目標(biāo)分別為COD、NH3-N、TP、SS、pH、BOD、TN、色度、溶解氧等9個(gè)指標(biāo)，則評(píng)判指標(biāo)層標(biāo)記為：D1(TN)、D2(色度)、D3(溶解氧)、D4(SS)、D5(COD)和D6(BOD)、D7(PH)、D8(NH3-N)和D9(TP)。

表4 準(zhǔn)則層相對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣A：C1～C3

表5 評(píng)判指標(biāo)層相對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣C1：D1～D9

表6 評(píng)判指標(biāo)層相對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣C2：D1～D9

表7 評(píng)判指標(biāo)層相對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣C3：D1～D9

表8 各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)層的比重

各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分布情況如圖6所示。確定各指標(biāo)的權(quán)重是層次分析法的核心內(nèi)容，由前述數(shù)據(jù)可知：合流制評(píng)價(jià)指標(biāo)選取體系的第一層指標(biāo)的排序?yàn)槌鞘信潘鞠嚓P(guān)專家、市政工程設(shè)計(jì)院相關(guān)專家、學(xué)校相關(guān)專家。其中城市排水公司相關(guān)專家指標(biāo)作為核心內(nèi)容，占63.7%的權(quán)重；其次是市政工程設(shè)計(jì)院相關(guān)專家，權(quán)重為25.8%；學(xué)校相關(guān)專家權(quán)重為10.5%。在第2層指標(biāo)中，按各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的重要程度排序?yàn)椋篋5、D8、D4、D9、D7、D6、D3、D2、D1，這9個(gè)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重作為主要權(quán)重，認(rèn)為是反映合流制排放標(biāo)準(zhǔn)制定過程中對(duì)污染物因子優(yōu)先控制的主要指標(biāo)。通過前述方法最終確定本研究評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇為COD、NH3-N、TP、SS、pH值等5項(xiàng)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)。

圖6 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重分布

2.2 建議合流制溢流污水排放值計(jì)算

基于A站、B站和C站不同地方的合流制溢流污水處理能力，在標(biāo)準(zhǔn)的確定上，充分考慮下雨期合流制和溢流集中、量大的實(shí)際特征，全面考慮區(qū)域氣候的影響、接受水體的功能要求，以及不同處理設(shè)備所在地區(qū)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)能力和現(xiàn)實(shí)條件，結(jié)合不同降雨程度下的污水水量，綜合考量各指標(biāo)的排放最大值。

基于技術(shù)的排放限值指的是根據(jù)現(xiàn)有的處理污染物的能力，考慮對(duì)收納水體的影響后確定的排放值。在參考標(biāo)準(zhǔn)中，COD控制指標(biāo)的排放限值有明確規(guī)定，其中，北京最嚴(yán)的排入地表水體的水污染物A的COD排放限值為20 mg/L，畜禽養(yǎng)殖廢水最高日排放量為400 mg/L，其余標(biāo)準(zhǔn)排放限值均小于120 mg/L。對(duì)目前正在運(yùn)行的3處合流制污水處理設(shè)施近3年出水水質(zhì)的COD進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果如圖7～8所示，出水COD主要集中在70～100 mg/L，運(yùn)行期間排放值在100 mg/L以下的質(zhì)量濃度可達(dá)到總體數(shù)量的83.5%。

圖7 處理設(shè)備運(yùn)行平均COD排放值與《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)比圖

圖8 設(shè)施出水COD值區(qū)間占比及累計(jì)占比

A站、B站、C站合流制污水處理設(shè)施COD去除情況具體見表9。

表9 A站、B站、C站合流制污水處理設(shè)施COD去除情況

基于各站處理設(shè)施的實(shí)際運(yùn)行狀況和相應(yīng)的處理技術(shù)，綜合考慮被研究地區(qū)夏季多雨其他季節(jié)少雨的氣候因素、被研究地區(qū)受納水體控制目標(biāo)均為V類的要求，通過計(jì)算出水平均值的均值法，不同處理設(shè)施的COD以及其他參數(shù)的建議出水排放限值見表10。

表10 建議排放值表

3 結(jié)論

通過對(duì)3處臨時(shí)合流制溢流污水處理設(shè)施進(jìn)出水水質(zhì)的檢測(cè)與運(yùn)行分析，并且將綜合評(píng)分法及層次分析法兩種方法相結(jié)合，最終確定了5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)做為排放標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)值即：pH，COD，NH3—N，TP，SS。通過計(jì)算得出的建議排放值為日常(降雨量<25 mm)條件下：COD=80 mg/L、NH3—N=15 mg/L、TP=1 mg/L、SS=20 mg/L、pH值=6～9；暴雨條件下：COD=100 mg/L、NH3—N=20 mg/L、TP=3 mg/L、SS=30 mg/L、pH值=6～9。本研究為北方地區(qū)合流制臨時(shí)污水處理設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了建議排放值參考。